光伏機組一次調頻在線監測系統設計與實現

朱賽浩，郭偉棟，王寶杰，姚天豪

(國家電投集團 杭州新能源生產運營有限公司，浙江 杭州 310000)

當下可再生能源的大量推廣和應用，電力系統中光伏發電裝機總量的比例逐漸增加[1]，在該過程中，電力系統為了實現光伏系統的資源最大化利用，在其發電過程中采用的控制策略通常以最大功率追蹤為主；并且，光伏發電存在2種慣性特征，分別為弱慣性和零慣性。因此，也導致光伏發電機組不參與電網頻率的調節，同步機組被大量替代[2]，該情況在光伏發電的滲透率逐漸增加的情況下，會對電網的頻率造成較大影響，發生頻率惡化，導致電力系統發生機組脫網、負荷突變等擾動，以此會引起頻率的變化率發生顯著變化[3]，明顯降低頻率的最低點以及增加穩態配頻率的偏差，嚴重影響電網運行的安全性和穩定性[4]。一次調頻是電網用于實現頻率穩定控制的自動控制方式，其是以設定的頻率額定值為參照，如果電網產生的頻率超過該值，電網中的機組控制系統則能夠自動實現機組有功功率的大小，約束頻率的變化。一次調頻在控制過程中，需完成相關參數的設定，以此可保證更佳的頻率調控效果[5]。一次調頻在進行頻率調整過程中，為了實時掌握調控情況，需對其調整實行在線監測，對調控結果實行全面保證。

基于一次調頻的需求，顏湘武等[6]對其進行分析后，基于超級電容儲能控制提出相應的控制策略；趙芳等[7]對調頻的特性進行分析后，基于虛擬阻尼前饋研究其頻率控制策略。但是上述研究結果中，雖然均能夠實現頻率控制，在頻率控制中無法實現子站和主站的結合監測，并且當一次調頻無法達到設定期望標準時，不能夠完成應急處理。因此，本文設計光伏機組一次調頻在線監測系統，在對光伏發電系統結構以及一次調頻充分分析的基礎上，通過主站與子站相結合的方式完成一次調頻監測。

1 光伏機組一次調頻在線監測系統設計

1.1 光伏發電系統結構

光伏發電并網通常情況下分為單級和雙級2種，單級情況下，在對頻率實行調控時，只需對直流電容電壓實行調節即可完成光伏機組的輸出功率，實現一次調頻。但是雙級光伏發電與其結構存在一定差異[8]。因此，雙級光伏發電系統的光伏機組一次調頻也與單級的存在明顯差異[9]，本文以雙級光伏發電系統為例，展開相關分析，該系統的結構如圖1所示。

圖1 雙級光伏發電系統結構Fig.1 Structure of two-stage photovoltaic power generation system

1.2 光伏機組的一次調頻

(1)一次調頻的作用。一次調頻是光伏機組的一個典型特性，電網中頻率存在變化特性，并且電網中頻率的分量存在差異，該分量的幅值也不相同，同時，光伏機組控制系統對于該分量的調控能力也存在差異，這是由于機組的負荷控制系統和與其形式之間存在的差異導致。通常情況下，一次調頻的特性可采用光伏機組的功率和運轉之間的關聯曲線進行描述，且該關系處于靜態狀態下，該關系也稱為機組控制系統的靜態特性。但是該特性在光伏電力系統中存在一定遲緩性[10]，是由于系統中各個機組組成部分特性之間的差異導致。因此，關聯曲線不是正常理想中的線性曲線，即使2個機組之間的靜態特性一致，其功率的變化也存在差異性，該現象表明各個機組對于負荷的適應能力存在差異，即光伏機組的一次調頻的動態特性存在差異。

(2)一次調頻參數設定。光伏機組一次調頻的實現是以各個電網機組之間調控系統的靜態特征為依據，將系統中的負荷轉移至儲能系統中，保證電網的穩定頻率偏差；并且一次調頻的實現是依據機組的調速系統自動完成[11]。因此，光伏機組的一次調頻在執行過程中需完成主要參數的設定[12]，本文采用改進粒子群算法完成一次調頻參數設定，其流程如圖2所示。采用粒子群算法在進行參數設定時，在參數的可行解空間內，對所有的粒子實行初始化處理，并且每一個參數的可行設定值均對應一個粒子，計算粒子的適應度值，依據該值的大小判斷粒子的優劣程度，即代表設定參數的優劣程度；除此之外，對粒子的速度和位置實行更新，保證粒子能夠最大限度接近最佳參數值，隨著個體和群體的不斷更新，獲取個體和群體的最優值，以此獲取一次調頻最佳參數，完成參數設定。一次調頻過程中，參數的設定對于調頻的結果存在直接影響[13]，其中主要的參數包含電網頻率、速度不等率、調頻死區、遲緩率、一次調頻量以及響應時間和調頻負荷范圍。

圖2 一次調頻參數設定流程Fig.2 Primary frequency modulation parameter setting process

(3)一次調頻的控制結構。調整光伏機組的有功出力是一次調頻的主要目的，該調整是以頻率之前偏差為依據完成，確保該偏差對應設定的調差率，其屬于機組實際的頻率和設定的期望頻率之間[14]。為實現光伏機組參與電網一次調頻，通過場站級控制方式實現，該控制的對象為負荷，該負荷屬于逆變器。

光伏機組在有功控制的全部過程中，逆變器主要作為執行設備[15]，其主控制站為自動發電控制系統，為實現光伏機組一次調頻需增設測控主站，形成多主站的控制方式，在該方式下頻率協調的控制結構如圖3所示。圖3中光伏機組以此調頻控制過程中，逆變器對功率的輸出實行調整，其依據自動發電控制系統的指令完成，一次調頻監測系統在監測過程中，對頻率實行監測[16]；并將頻率調整值與設定的頻率進行對比，前者滿足后者時，自動發電控制系統測控系統則接受一次調頻指令后，不再啟動逆變器，使其不再發送調節指令，且該系統不再執行相應操作，逆變器則直接接收目標值，該值由一次調頻測控裝置發送，且為經過頻率調整。

圖3 光伏機組一次調頻控制結構Fig.3 Primary frequency modulation control structure of photovoltaic unit

1.3 系統設計與實現

(1)監測系統設計。通過分析光伏機組的結構特點以及一次調頻的作用、參數設定以及控制結構，為實現該調頻的實時、全面監測，采用主站和子站相互結合的方式完成在線監測，因此設計雙站結合的光伏機組一次調頻在線監測系統，其架構用圖4描述。

圖4 光伏機組一次調頻在線監測系統架構Fig.4 Architecture of photovoltaic unit primary FM online monitoring system

圖4中，子站包含2個區，分別是子站一區和子站二區，兩者的主要作用是提供和存儲光伏機組一次調頻所需的數據[17]，子站一區中的分散控制系統、自動增益控制系統可獲取光伏機組一次調頻計算所需的數據，該數據經由OPC服務器后完成安全認證后存入子站二區的實時數據庫中；除此之外，一區的PMU微控制器裝置包含電網頻率數據和一次調頻理論參數數據[18]，該數據需經過安全認證以及數據解包后存儲至子站二區的數據庫中；子站二區則將該數據傳送至主站，其傳送方式為鏡像傳輸，由光纖收發器和交換機完成。主站中則是以Web服務器和應用服務器為核心，部署在線監測系統，光伏機組一次調頻的監控實現則需依據該服務器完成，當一次調頻發生不理想情況時，主站的監控后臺則將啟動以及執行相關的應急處理措施和方案。

(2)子站的監控硬件結構。光伏機組一次調頻在線監測的實現[19]，雖然是由主站實現，但是需結合子站的在線監測協同完成。子站的監測系統硬件結構如圖5所示。子站系統包含各類采集系統、子站監測主機以及就地監控后臺等。各類采集系統均部署在每一個光伏機組上，且每個子站均部署1臺監測主機，該主機的主要作用是完成勵磁和調速2種采集設備獲取的信息的傳送，將其傳送至就地監控后臺的同時也傳送至主站，協同主站實現光伏機組一次調頻的在線監測。

圖5 子站的監測系統硬件結構Fig.5 Hardware structure of monitoring system of sub-station

2 應用實例

為測試本文系統的應用效果，將本文方法用于某地區的光伏并網的發電站，對該發電站的光伏機組一次調頻實行在線監測。該發電站的光伏裝機總容量為50 MW，且裝有一次調頻測控系統，用于調整逆變器，一次調頻的相關參數見表1。該發電站共部署15個數據采集器，每一個數據采集器均與組串式逆變器相連接，后者的連接數量為25個，逆變器數據通信傳輸通過串口完成連接，并依據MODBUS規約完成通信；系統運行過程中，光纖接收機采用IEC60870-5-104通信規約數據的通信傳輸。

通過子站和主站的結合后，完成光伏機組一次調頻在線監測，在監測過程中，系統能夠切換不同機組進行監測結果的查詢[20]，并且可通過系統軟件界面中的選項進行相關的操作，如圖6所示。在圖6中系統能夠對光伏所有機組一次調頻的情況實現監測，實時掌握電網頻率的調整情況，可切換不同的機組一次調頻結果，如果調頻結果超過限定的期望標準，后臺則啟動相應的應急策略。

圖6 系統監測界面Fig.6 System monitoring interface

在進行測試分析前，對該發電站的運行實行3個月的數據采集，并對采集的數據實行分析，分析后發現該電站在運行過程中，頻率變化也呈現2種情況：頻率階躍大擾動和頻率階躍小擾動，分別用情況1和情況2表示。測試過程中，以光伏機組在8%額定容量的上、下調整裕度為前提，測試本文系統在光伏機組一次調頻監測中的應用情況。由于篇幅限制，測試結果僅呈現一次調頻控制啟動時間、有功功率以及一次調頻量的監測。

獲取本文系統在光伏機組分別處于情況1和情況2時，系統的監測結果如圖7—圖9所示。從圖7—圖9中可以看出，能夠看出在2種狀態和2種情況下，光伏機組一次調頻過程中的整體變化，可監測到一次調頻的啟動時間、調頻后電網有功功率的變化情況以及一次調頻量是否達到設定的期望標注結果。

圖7 光伏機組一次調頻控制啟動時間監測結果Fig.7 Monitoring results of photovoltaic unit starting time of primary FM control

圖8 光伏機組一次調頻控制后有功功率監測結果Fig.8 Monitoring results of active power of photovoltaic unit after primary FM control

圖9 光伏機組一次調頻量監測結果Fig.9 Monitoring results of primary frequency modulation of photovoltaic units

光伏機組如果在自動一次調頻中，頻率的調整結果無法滿足期望設定標準，系統后臺這會針對該機組的實際運行情況實行分析后，采用應急一次調頻控制，對其實行應急處理，獲取本文系統執行光伏機組一次調頻應急處理后的一次調頻負荷以及機組調頻曲線變化情況，結果如圖10所示。圖10中直觀呈現系統在光伏機組一次調頻中的實際應用效果，可通過主站的相應控制，對異常的光伏機組能夠呈現光伏機組一次調頻負荷以及應急處理后的頻率曲線，保證電網運行的安全性和穩定性。

圖10 機組一次調頻負荷以及機組調頻偏差曲線結果Fig.10 Results of primary frequency modulation load and frequency modulation deviation curve of unit

3 結論

電網中光伏發電的大量并入，參與電網的電能生成提供電能服務，光伏系統運行過程中，光伏機組在正常情況下，不參與電網的一次調頻，因此，存在一定的安全隱患，造成電網的運行風險。但是當下通過相應的控制手段使光伏機組參與電網的一次調頻，在該過程中，為實時掌握光伏機組一次調頻的情況，本文設計光伏機組一次調頻在線監測系統，并對其應用效果展開相關測試。結果顯示，通過子站與主站結合的在線監測方式，能夠實時獲取機組的一次調頻的相關數據以及調頻結果，可在電網不同的運行情況下監測光伏機組一次調頻的結果，并可在光伏機組一次調頻結果不滿足設定標準的情況下，實行應急措施，保證電網安全運行。